Confort Termico y Tipologia Arquitectonica en Clima Calido Humedo

Universidad Politcnica de Catalunya Master Oficial Arquitectura Energa y Medio Ambiente Departamento de Construcciones Arquitectnicas I

Confort Trmico y Tipologa Arquitectnica en Clima Clido-HmedoAnlisis trmico de la cubierta ventilada

Mariana Guimares Meron

2008

Universidad Politcnica de Catalunya Master Oficial Arquitectura Energa y Medio Ambiente Departamento de Construcciones Arquitectnicas I

Confort Trmico y Tipologa Arquitectnica en Clima Clido-HmedoAnlisis trmico de la cubierta ventilada

Mariana Guimares Meron

Tesina presentada al Master Oficial Arquitectura, Energa y Medio Ambiente de la Universidad Politcnica de Catalunya, Barcelona, Espaa. Tutor: Rafael Serra Florensa

Barcelona, Septiembre 2008

Confort Trmico y Tipologa Arquitectnica en Clima Clido-Hmedo: Anlisis trmico de la cubierta ventilada

ResumenEl clima es factor determinante en las decisiones tomadas a cerca de la vivienda, traduciendo la relacin existente entre clima y arquitectura en la bsqueda de las condiciones ptimas de confort trmico. La tipologa constructiva se encuentra definida ms por las zonas climticas que por las fronteras territoriales. En zonas clido-hmedas, la arquitectura caracterstica es ligera, muy ventilada, protegida en todas las direcciones de la radiacin solar y sin inercia trmica de ningn tipo. Como parte de esta arquitectura, la cubierta ventilada presentase como el elemento constructivo ms significativo, ya que por si sola define el espacio e indica que el edificio es habitable, ofreciendo proteccin contra la lluvia y el sol y creando un cobijo con un microclima particular. Este trabajo estudia los efectos trmicos en el espacio interior del edificio como consecuencia de las tipologas de cubiertas y sus diferentes materiales.

Palabras-clave:

clima

clido-hmedo,

arquitectura

bioclimtica,

confort

trmico, cubierta ventilada.

i


ndiceIntroduccin ............................................................................................. 1

Parte I. hombreI.1. I.1.1 I.1.2 I.2. I.2.1 I.2.2

El clima clido-hmedo y su relacin con el .................................................................................... 5El clima considerado...................................................................... 6 El clima Clido-Hmedo en el planeta................................... 7 Las caractersticas del clima Clido-Hmedo ........................ 8 Zona de Confort................................................................... 10 Elementos del Clima ............................................................ 11I.1.1.1. I.1.1.2. I.1.1.3. I.1.1.4. I.1.1.5. Temperatura del Aire ......................................................... 12 Humedad Relativa ............................................................. 12 Movimiento del Aire ........................................................... 13 Radiacin Solar.................................................................. 14 Precipitacin ...................................................................... 16

Elementos del clima y los efectos sobre el ser humano .......... 10

I.2.3 I.2.4

La Grfica Bioclimtica ........................................................ 16 Efectos Microclimticos ....................................................... 19I.1.1.6. I.1.1.7. I.1.1.8. I.1.1.9. I.1.1.10. Altitud ................................................................................. 19 Orientacin del Relieve...................................................... 20 Masas de agua .................................................................. 21 Entorno construido............................................................. 22 Vegetacin ....................................................................... 23

Parte II.

Soluciones de diseo ambiental adoptadas en

respuesta al clima......................................................................... 25II.1. La arquitectura verncula del clima Clido-Hmedo ................ 26 II.2. Orientacin y forma de la arquitectura....................................... 30 II.2.1 La orientacin ...................................................................... 30I.1.1.11. I.1.1.12. Los efectos del sol ........................................................... 30 El impacto de la radiacin solar ....................................... 30 En la naturaleza ............................................................... 31 Orientacin sol-aire.......................................................... 33

II.2.2

La forma............................................................................... 31I.1.1.13. I.1.1.14.

ii


I.1.1.15. I.1.1.16.

Distribucin interna .......................................................... 34 Factor viento .................................................................... 34

II.3. Ventilacin .................................................................................... 36 II.3.1 II.3.2 II.3.3 Ventilacin cruzada ............................................................. 36 Barreras de viento ............................................................... 39 La arquitectura..................................................................... 43I.1.1.17. I.1.1.18. I.1.1.19. I.1.1.20. Cubierta ventilada ............................................................ 43 Cerramientos permeables................................................ 44 Elevacin del suelo .......................................................... 46 Otros sistemas de ventilacin .......................................... 46

II.4. Control solar ................................................................................. 48 II.4.1 II.4.2 La transmisin de calor........................................................ 48 La arquitectura..................................................................... 50I.1.1.21. I.1.1.22. I.1.1.23. Aleros o voladizos............................................................ 50 Lamas, pantallas y celosas............................................. 51 Vegetacin ....................................................................... 54

II.5. El efecto trmico de los materiales............................................. 56

Parte III.

Anlisis trmico de la cubierta ventilada ............. 58III.1.1 De la cubierta ventilada verncula a la contempornea ..... 59 III.1.2 Las tipologas y los materiales ............................................ 60

III.1. La cubierta ventilada en los trpicos ......................................... 59

III.2. El anlisis...................................................................................... 65 III.2.1 Hiptesis ............................................................................. 65 III.2.2 Descripcin del estudio ....................................................... 65I.1.1.24. I.1.1.25. Definicin del tipo y materiales de la cubierta.................. 65 Los parmetros fijos......................................................... 67

III.2.3 Mtodo ................................................................................ 71 III.2.4 Resultados .......................................................................... 75I.1.1.26. I.1.1.27. I.1.1.28. Cubierta no ventilada ....................................................... 76 Cubierta ventilada ............................................................ 77 Cubierta por materiales.................................................... 78

Consideraciones finales .............................................................. 83Referencias Bibliogrficas .................................................................... 87

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ndice de FigurasFiguras 1 y 2 Casa rural en Australia y en Costa Rica. Los elementos y el lenguaje arquitectnicos son los mismos aunque en regiones geogrficas distintas. ................................ 2 Figura 3 Los Climas del Mundo.................................................................................................. 6 Figura 4 Posicin de la ZCIT en julio (rojo) y en enero (azul).................................................... 7 Figura 5 Temperaturas medias en la zona tropical del planeta. ................................................ 8 Figura 6 Vegetacin tpica de la zona tropical. .......................................................................... 8 Figura 7 Precipitaciones en la zona tropical. ............................................................................. 9 Figura 8 - El hombre y la interaccin con el medio ambiente. .................................................... 10 Figura 9 - Cambios trmicas entre el hombre y el medioambiente. ........................................... 11 Figura 10 El grfico psicomtrico. La relacin de la temperatura del aire y la humedad relativa influencian conjuntamente en la sensacin de calor y fro. ........................................................ 13 Figura 11 Gradientes de velocidad del viento en diferentes alturas y diferentes ambientes. (a) rea urbana, (b) campo con vegetacin y (c) campo abierto. .................................................... 14 Figura 12 Intercambio calorfico al medioda de un da de verano. ......................................... 15 Figura 13 Grfico de Olgyay para la latitud 40 norte. ............................................................. 17 Figura 14 Grfica de Olgyay aplicada para la ciudad de Miami, Florida. Las curvas de

temperatura diaria tienen una clara tendencia horizontal. La distribucin de la temperatura anual est comprendida entre dos lmites muy cercanos, as como la humedad. ..................... 18 Figura 15 Comportamiento del aire durante la noche y durante el da en montes y vales. .... 20 Figura 16 Comportamiento del viento en torno de una colina. ................................................ 21 Figura 17 Direccionalidad de la lluvia y de los vientos en montaas....................................... 21 Figura 18 Movimiento del aire junto al mar. (a) Desde el agua hacia le tierra durante el da y (b) desde la tierra hacia el mar durante la noche........................................................................ 22 Figura 19 Absorcin del calor en los diferentes materiales. (a) Pavimento, (b) hierba y (c) suelo. ........................................................................................................................................... 23 Figura 20 Las temperaturas alrededor de los edificios son temperadas o agravadas por la naturaleza de los materiales del entorno. ................................................................................... 23 Figura 21 Efecto trmico producido por la sombra de un rbol. .............................................. 23 Figura 22 Esquema de la vivienda tropical. ............................................................................. 27

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Figura 23 Esquema de proteccin en las aberturas para evitar el deslumbramiento a travs de lamas fijas y mviles. .................................................................................................................. 28 Figuras 24, 25, 26, 27, 28, 29 y 30 Casas venarculares en diversas regiones de clima tropical: Asia, frica, Amrica Central y del Sur. ........................................................................ 29 Figura 31 La orientacin del edificio con formato este-oeste, con sus principales huecos orientados en el eje norte-sur y el mnimo posible de huecos orientados para este y oeste. .... 31 Figura 32 Las hojas de los rboles en cada tipo de clima: fro, templado, clido-rido y clidohmedo........................................................................................................................................ 32 Figura 33 La forma de la arquitectura cambia de acuerdo con la latitud en que est ubicada. Ms a norte suele a ser compacta priorizando la radiacin solar, mientras que ms cerca del Ecuador suele ser ms estrecha y alargada en el eje este-oeste priorizando los vientos dominantes. ................................................................................................................................. 33 Figura 34 Orientaciones sugeridas para las distintas estancias en el hemisferio norte. ......... 34 Figura 35 Esquema de las reas de presin proporcionada por la incidencia del viento en las diferentes caras del edificio......................................................................................................... 36 Figura 36 flujo de aire en el interior de la edificacin. (a) Grande abertura de entrada y pequea abertura de salida no interfiere en la velocidad del aire, mientras que (b) pequea abertura de entrada garantizan velocidades mximas en el interior de la construccin. (c) y (d) El movimiento del aire en el interior de la edificacin hace siempre por el camino que sea ms fcil, o sea aquello en que exista una diferencia de presin ms alta y una resistencia a su paso ms baja. ..................................................................................................................................... 37 Figura 37 - La situacin de entrada determina el modelo de flujo que puede variar no solo por el posicionamiento de las aberturas como tambin por el diseo de las mismas. ..................... 38 Figura 38 Esquema de ventilacin con entradas de aire posicionadas en la parte ms baja y salidas de aire posicionadas en la parte ms alta del edificio para facilitar la renovacin del aire por diferencia de temperatura. .................................................................................................... 39 Figura 39 La sombra de viento causada por el arbolado......................................................... 40 Figura 40 - La proteccin proporcionada por el viento depende del ancho y de la altura de la barrera. ........................................................................................................................................ 40 Figura 41 - El movimiento del aire en reas densas de vegetacin y en reas de escasa vegetacin. .................................................................................................................................. 41 Figura 42 Implantacin del edificio de forma aislada para permitir la ventilacin cruzada...... 42 Figura 43 La proteccin del viento con una ordenacin lineal de edificios y de forma a aprovechar al mximo las brisas................................................................................................. 42 Figura 44 Modificacin del movimiento del aire por medio de paisajismo............................... 43

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Figura 45 Esquema de la cubierta ventilada, utilizndose de un colchn de aire como aislante y ventilacin de la cubierta por efecto chimenea. ....................................................................... 44 Figura 46 Separacin entre espacio interno y externo con diferentes soluciones de cerramientos mviles dispuestos de acuerdo con la necesidad del momento........................... 45 Figura 47 La elevacin del edificio en el terreno permite el cruce del aire por debajo del edificio y, al mismo tiempo, proteccin de las humedades e inundaciones. .............................. 46 Figura 48 Sistemas pasivos de ventilacin: efecto chimenea, chimenea solar, aspiracin esttica y torre de viento, respectivamente................................................................................. 47 Figura 49 la energa radiante en las superficies transparentes. .............................................. 48 Figura 50 La radiacin solar proveniente de todas las direcciones. (a) Luz cenital, (b) luz reflejada del exterior y (c) luz reflejada del interior. .................................................................... 49 Figura 51 Utilizacin de elementos fsicos para proporcionar sombra y no permitir la penetracin de la radiacin solar directa. ................................................................................... 49 Figura 52 Los porches y las galeras abiertas protegidos del sol y de la lluvia se convierten locales abrigados y ventilados en la edificacin tropical............................................................. 51 Figura 53 Lamas horizontales, verticales y combinacin de las dos con sus respectivos perfis de sombra.................................................................................................................................... 52 Figura 54 Reduccin del deslumbramiento a travs del oscurecimiento de las aberturas, reduciendo la cantidad de luz y tambin la cantidad de calor. La luz que entra es filtrada por las lamas y reflejada por el techo. .................................................................................................... 54 Figura 55 Proyeccin de la sombra de los rboles en el edificio a las 9 horas de la maana, al medioda y a las cuatro horas de la tarde. .................................................................................. 55 Figura 56 En la pared las fuerzas trmicas actan en el exterior en una combinacin de los impactos por conveccin y por radiacin que son transmitidas para el interior del edificio segn sus propiedades. ......................................................................................................................... 56 Figura 57 Estructura de ramas y cubierta de hojas de las rboles. En el detalle la paja de coco. ............................................................................................................................................ 60 Figura 58 La concepcin de la cubierta cnica permite la ventilacin cruzada en todas las direcciones, independiente de la direccin del viento................................................................. 61 Figura 59 Estructura de la cubierta piramidal en Indonesia..................................................... 61 Figura 60 Cubiertas dobles en Camern y en India, respectivamente.................................... 62 Figura 61 Esquema de micro ventilacin en la cubierta. ......................................................... 63 Figura 62 Esquema de ventilacin bajo el revestimiento en la cubierta.................................. 63 Figura 63 Esquema de ventilacin bajo techo en la cubierta. ................................................. 64

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Figura 64 Plano, seccin del edificio en estudio. ..................................................................... 68 Figura 65 Vista area de la ciudad de Vitria, Esprito Santo, Brasil. ..................................... 69 Figura 66 La cubierta no ventilada y sus posibilites. 1 fibra natural (TF), 2 teja de madera (TM), 3 teja de barro cocida (BR), 4 teja de amianto (AM) y 5 teja metlica de acero (MT). ..................................................................................................................................................... 75 Figura 67 La cubierta ventilada y sus posibilites. 1 fibra natural (TF), 2 teja de madera (TM), 3 teja de barro cocida (BR), 4 teja de amianto (AM) y 5 teja metlica de acero (MT). A fibra natural (FN), B madera (MD), C forjado de hormign (HM), D plstico PVC (PL) y E placas de yeso acartonado (YS)........................................................................................... 76 Figura 68 Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y diferentes incrementos de aire en cubierta no ventilada. ........................................................... 77 Figura 69 Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y diferentes incrementos de aire en cubierta ventilada. ................................................................ 78 Figura 70 Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de fibra natural (paja de coco) sin y con forjado de fibra natural o madera. ........................................................................................ 78 Figura 71 Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de madera sin y con forjado de fibra natural o madera. ........................................................................................................................ 79 Figura 72 Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de barro cocida sin y con forjado de madera, hormign, plstico PVC o placas de yeso acartonado. ............................... 80 Figura 73 Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de amianto sin y con forjado de madera, hormign, plstico PVC o placas de yeso acartonado. ........................................... 80 Figura 74 Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja metlica de acero sin y con forjado de madera, hormign, plstico PVC o placas de yeso acartonado. ............................... 81

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ndice de TablasTabla 1 - Temperaturas por hora a lo largo de un ao para la ciudad de Vitria, Brasil, latitud 20 sur. La mayor parte de las horas las temperaturas sobrepasan las de la zona de confort indicando la necesidad de proteccin solar para la mayor parte del ao................................... 53 Tabla 2 Definiciones de los casos de estudio a partir de la seleccin de los materiales de capa exterior y forjado y de la tipologa de la cubierta................................................................ 67 Tabla 3 Las caractersticas de los materiales constructivos de la cubierta ventilada.............. 67 Tabla 4 Materiales de los cerramientos del edificio. ................................................................ 69 Tabla 5 - Las caractersticas de los materiales constructivos..................................................... 69 Tabla 6 - Medias mensuales de temperatura media, media mxima y media mnima, humedad relativa y precipitacin para la ciudad de Vitria, Esprito Santo, Brasil. Adems la frecuencia y velocidad del viento por direccin. .............................................................................................. 70 Tabla 7 La radiacin solar en las superficies captadoras para la ciudad de Vitria, Esprito Santo, Brasil. ............................................................................................................................... 71

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IntroduccinEl control del entorno y la creacin de condiciones adecuadas a sus necesidades y al desarrollo de sus actividades son cuestiones que el hombre se ha planteado desde sus orgenes. A lo largo del tiempo, los hombres han buscado, en la construccin de sus refugios, satisfacer las necesidades humanas bsicas: la proteccin ante los elementos y la provisin de un espacio dotado de una atmsfera favorable para el recogimiento espiritual.1

El hombre siempre busc en la arquitectura una manera de protegerse, sea del sol o de la lluvia, sea del calor o del fro. Adems, la creacin de un local donde sea capaz de satisfacer sus necesidades, en la busca de confort trmico y desarrollo de sus actividades. El clima es factor determinante en las decisiones tomadas a cerca de la vivienda, visto que los parmetros que actan en cada situacin hacen con que cada regin tenga condiciones distintas de temperatura del aire, de radiacin, de humedad relativa y de movimiento del aire. Estos parmetros en combinaciones nicas definen las zonas climticas, que poseen clasificaciones distintas de acuerdo con cada autor, siendo los ms utilizados el de W. Kppen. Adoptando como criterio la relacin entre clima y vegetacin, determina cinco zonas climticas bsicas: tropical-lluviosa, seca, templada, boscosa-fra y polar. Dentro de la clasificacin de W. Kppen, este trabajo se especifica en estudiar el clima tropical-lluvioso, o clido-hmedo, y su relacin con la arquitectura. Esta relacin existente entre clima y arquitectura est explicada por Jean Dollfus en su muestrario de viviendas de todo el mundo en que afirma que el principal objetivo de las construcciones ha sido siempre la bsqueda de las condiciones ptimas de confort trmico. Segn sus anlisis, concluye que la

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Olgyay (1963). 1


tipologa constructiva se encuentra definida ms por las zonas climticas que por las fronteras territoriales. Aunque existan variaciones, producto de particularidades de cada cultura o de disponibilidad de material, la forma de la vivienda autctona nace de su relacin con el entorno.La proporcin entre macizo y aberturas al exterior depende tanto de la psicologa popular como del clima y de los materiales empleados.2

Figuras 1 y 2 Casa rural en Australia y en Costa Rica. Los elementos y el lenguaje arquitectnicos son los mismos aunque en regiones geogrficas distintas.

Desde la antigedad el hombre reconoca que la adaptacin era un principio esencial en la arquitectura con el objetivo de alcanzar el confort trmico. En las zonas clido-hmedas, donde las temperaturas son altas, la radiacin siempre intensa, las nubes y lluvias son frecuentes, y la humedad es constantemente alta: la arquitectura popular caracterstica es ligera, muy ventilada, protegida en todas las direcciones de la radiacin y sin inercia trmica de ningn tipo. En las regiones clido-secas, las temperaturas son muy altas durante el da pero bajan bastante durante la noche. La radiacin solar es directa y los vientos cargados de polvo son molestos, que hacen con que la arquitectura de

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Dollfus por Olgyay (1963). 2


este clima sea compacta, con escasas aberturas, muchas veces con gruesas paredes o subterrneas para obtener la mxima inercia trmica. Adems utilizan el recurso del patio, protegido del sol, humedecido y refrescado con la presencia de agua. En las regiones fras, con las temperaturas bajas durante todo el ao, escasa radiacin y precipitaciones frecuentes, la arquitectura autctona es compacta, aislada y con pequeas aberturas, con el objetivo de conservacin de calor en su interior. En climas templados, donde presentan acusados cambios de

condiciones a lo largo del ao, la arquitectura se hace ms compleja, al tener que ser adaptable. La arquitectura popular siempre se ha visto obligada a incorporar soluciones y sistemas flexibles, que facilitan resolver los problemas de fro en invierno y de calor en verano, como sistemas de sombreamiento para das clidos y aislamiento mviles para das fros, aberturas practicables para permitir la ventilacin, espacios intermedios entre interior y exterior para generar microclimas favorables, etc. La arquitectura se modifica a fin de proporcionar al hombre las condiciones necesarias de confort. La consecuencia final de todas las consideraciones que pueden hacerse sobre el bienestar es que, en cualquier espacio arquitectnico se puede actuar, desde el inicio del diseo, sobre los parmetros ambientales que resultarn en el edificio. Es decir, la arquitectura del ambiente, en cual la persona receptora del mismo pasa a ser el primer factor a considerar. La tesina tiene por objetivo estudiar los efectos del clima sobre el hombre y relacinalo con las tipologas de arquitectura para climas clidoshmedos, a travs de soluciones de diseo ambiental que sean capaces de responder a las necesidades de confort trmico del hombre. El trabajo se desarrolla en tres partes: Parte I. El clima clido-hmedo y su relacin con el hombre Parte II. Soluciones de diseo ambiental adoptadas en respuesta al clima

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Parte III. Anlisis trmico de la cubierta ventilada La primera parte trata de describir las caractersticas del clima clidohmedo y sus efectos en el confort trmico del hombre. La influencia de los parmetros de temperatura del aire, radiacin, humedad relativa y movimiento del aire en tales condiciones climticas. La segunda parte trata de relacionar las tipologas arquitectnicas (soluciones de diseo) capaces de responder a las necesidades de confort trmico del hombre para el clima en cuestin. El trabajo se completa con la tercera parte que trata de hacer un anlisis trmico de la cubierta doble ventilada tradicional y contempornea, con sus diferentes materiales, a fin de verificar su respuesta trmica en el espacio interior de la edificacin.

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Parte I.

El clima clido-hmedo y su relacin

con el hombre


I.1. El clima consideradoSe comprende por clima el conjunto de los valores promedios de las condiciones atmosfricas que caracterizan una regin. Estos valores promedio se obtienen con la recopilacin de la informacin meteorolgica durante un periodo de tiempo suficientemente largo. Segn se refiera al mundo, a una zona o regin, o a una localidad concreta se habla de clima global, zonal, regional o local (microclima), respectivamente.3

Figura 3 Los Climas del Mundo

Para el estudio del clima local hay que analizar los elementos del tiempo: la temperatura del aire, la humedad relativa, la radiacin solar, los movimiento de aire y las precipitaciones. Hay una serie de factores que pueden influir sobre estos elementos: la latitud geogrfica, la altitud del lugar, la orientacin del relieve con respecto a la incidencia de los rayos solares o a la de los vientos predominantes, las corrientes ocenicas y la continentalidad, distancia al ocano o al mar.

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Wikipedia 6


I.1.1

El clima Clido-Hmedo en el planeta

El clima clido-hmedo es propio de las regiones tropicales, entre lo 0 latitud (Ecuador) y los 23 latitud Norte y Sur, es decir, entre los trpicos de Cncer y Capricornio, respectivamente. Dicho clima es consecuencia de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), un cinturn de baja presin que cie el globo terrestre el la regin ecuatorial. Est formado, como su nombre indica, por la convergencia de aire clido y hmedo de latitudes por encima y por debajo del ecuador. En estas reas la lluvia simplemente se intensifica con el aumento de la insolacin solar y disminuye a medida que el sol ilumina otras latitudes. Las variaciones de posicin de la ZCIT afecta las precipitaciones en los pases ecuatoriales produciendo estaciones secas y hmedas en lugar de fras y clidas como en las latitudes superiores. Adems, modifica la direccin del viento, de norte a sur y viceversa.

Figura 4 Posicin de la ZCIT en julio (rojo) y en enero (azul).

Estas condiciones climticas se encuentran en los siguientes pases:Mxico Islas del Caribe Guatemala Honduras Nicaragua Costa Rica Panam Colombia Venezuela Guianas Brasil frica Occidental Sierra Leona Liberia Costa Dorada Nigeria frica Ecuatorial Congo Kenya Tanganyika Uganda Mozambique Madagascar India Pakistn Ceylon Burma Tailandia Malasia Indonesia Indo-China Filipinas Australia

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I.1.2

Las caractersticas del clima Clido-Hmedo

En el clima de las zonas intertropical las temperaturas medias son altas, con variaciones poco acusadas entre da-noche y estacionales. La humedad es muy alta, frecuente nebulosidad y fuertes precipitaciones irregulares. Es decir, las temperaturas medias mensuales son elevadas y bastante uniformes a lo largo del ao, siendo la media anual superior a los 20 C. El rgimen trmico vara entre 3 y 10 C, mayor en el interior y menor en las reas costeras. Las precipitaciones oscilan entre los 400 y los 1.000 mm anuales, aunque la variedad de clima monznico alcanza valores muy superiores. Alternan las estaciones secas cuya duracin vara segn la proximidad al Ecuador terrestre, y una estacin hmeda con un gran nmero de precipitaciones.

Figura 5 Temperaturas medias en la zona tropical del planeta.

Figura 6 Vegetacin tpica de la zona tropical.

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Figura 7 Precipitaciones en la zona tropical.

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I.2. Elementos del clima y los efectos sobre el ser humanoI.2.1 Zona de Confort

Los efectos del medio ambiente inciden directamente sobre el hombre a travs de los parmetros trmicos, acsticos y lumnicos. Sumado a estos, los factores de confort fsico, biolgico-fisiolgico, sociolgico y psicolgico. El cuerpo humano puede absorberlos o percibir sus efectos, esforzndose para llegar a un punto de equilibrio, adaptndose a su entorno a punto que solamente requiera un mnimo de energa. Las condiciones bajo las cuales consigue este objetivo se definen como zona de confort. Dentro de los elementos fsicos del entorno que tienen influencia sobre las personas, este trabajo se limita analizar uno de los elementos la sensacin trmica , sin el cual no es posible satisfacer el confort.

Figura 8 - El hombre y la interaccin con el medio ambiente.

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El aire rene tres de los cuatros parmetros que condicionan la sensacin trmica: su temperatura, humedad (contenido de vapor de agua) y movimiento (velocidad). Sumado a estos, la radiacin solar, que juntos forman los elementos principales que afectan la comodidad. Los medios por los que el ser humano intercambia calor con el ambiente fsico pueden clasificarse en cuatro procesos principales. A travs de la radiacin se estima que el cuerpo humano pierde 40% de su calor. Pierde otros 40% por conveccin y conduccin y, los 20% restantes por la evaporacin. Sin embargo, estas proporciones poden cambiar si ocurren variaciones en las condiciones trmicas.Figura 9 - Cambios trmicas entre el hombre y el medioambiente.

Por ejemplo, en climas con alta humedad la evaporacin a travs de la piel tornase perjudicada debido al alto ndice de vapor de agua presente en el ambiente.

Hay que tener en cuenta para definir la zona de confort la variabilidad de la sensacin trmica de los individuos: el tipo de vestimenta, naturaleza de actividad que se realiza, sexo, edad y la aclimatacin, que de acuerdo con la localizacin geogrfica afecta la sensacin de confort. El lmite superior de temperatura a que puede resistir el hombre es el unto de insolacin debido a la radiacin solar, y el lmite mnimo es el punto de congelacin. Entonces, la temperatura ideal de aire debe encontrarse en la media de los dos extremos. En estos lmites, se mueven las condiciones de comodidad trmica, que depender de los factores de los usuarios. Hay que hablar de temperaturas del aire entre 15 y casi 30 C, con humedades entre el 40 y el 80% de la saturacin para cada temperatura. La vivienda es el principal instrumento que nos permite satisfacer las exigencias de confort adecuadas. Modifica el entorno natural y nos aproxima a las condiciones ptimas de habitabilidad.

I.2.2

Elementos del Clima

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A los arquitectos interesan aquellos aspectos del clima que afectan al confort humano y al empleo de los edificios. Comprenden valores medios, variaciones y valores extremos de temperatura, diferencias trmicas entre da y noche, humedad, condiciones del cielo, radiacin directa y difusa, lluvias y movimiento del aire. No obstante, deben tenerse en cuenta los efectos modificados de las condiciones microclimticas. I.1.1.1. Temperatura del Aire

La temperatura del aire, tomada al instante, puede variar dependiendo del local donde es leda, si a sombra o en el sol, si el suelo del local es hierva o pavimentado, etc. En una lectura general, medida por las estaciones meteorolgicas y sobre condiciones predeterminadas, la variacin de la temperatura diurna depende del estado del cielo. En das despejados, la grande cantidad de radiacin solar recibida y la libre expansin de la misma originan amplia margen de variacin trmica, mientras que en das nublados, dicho margen es inferior. Veranos con das abiertos son ms calientes, mientras que inviernos con das en las mismas condiciones, generalmente son ms fros que con das nublados. En clima clido-hmedo, como mencionado anteriormente, las

temperaturas durante todo el ao estn por encima de los 20 C, con veranos con temperatura extremas que pueden sobrepasar los 40 C e inviernos, normalmente, las temperaturas se encuentran dentro de una zona de confort aceptable. Para el proyecto, cuanto a temperatura, son importantes los valores medios, las temperaturas extremas, mximas y mnimas, diferencias trmicas entre da y noche y las condiciones del cielo. I.1.1.2. Humedad Relativa

La Humedad relativa del aire es una indicacin directa del potencial de evaporacin, la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Hay que estudiarse conjunta con la temperatura del aire. Es decir, mayor temperatura y mayor humedad del aire producen ms sensacin de calor.12


Figura 10 El grfico psicomtrico. La relacin de la temperatura del aire y la humedad relativa influencian conjuntamente en la sensacin de calor y fro.

En condiciones de altas humedades, caso de los climas tropicales, la comodidad trmica resulta ms difcil, produciendo desde la sensacin de bochorno a la incomodidad del fro, sin puntos confortables intermedios. Tambin en condiciones muy bajas de humedad, se llega a un punto de molestia fisiolgica, la sequedad del aire dificulta la respiracin. En busca del confort trmico, en climas hmedos, tanto en invierno cuanto en verano, la solucin arquitectnica es utilizar estrategias de ventilacin, que hablaremos en seguida. Para el proyecto, es importante para el arquitecto conocer la humedad relativa del aire para cada un de los valores de temperatura (media, mxima y mnima). I.1.1.3. Movimiento del Aire

El movimiento del aire no modifica la temperatura pero provoca una sensacin de frescor debida a la prdida de calor por conveccin y aumento de la evaporacin del cuerpo. Resulta que para cada 0,3 m/s de velocidad del aire viene a equivaler al descenso de 1 C en la sensacin trmica de una persona. En verano clido, es capaz de reducir la sensacin de calor al incrementar las prdidas por conveccin y la evaporacin de la transpiracin del cuerpo. Y en inverno, la adecuada ventilacin, aunque enfre el aire interior,

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se produce un acentuado descenso de humedad, se secan las ropas y aumenta la sensacin de bienestar. Para el clculo del viento debe tenerse en cuenta la disminucin de la velocidad del viento en niveles cercanos al suelo, ya que las mediciones hechas por la estaciones meteorolgicas son normalmente tomadas a nivel de cubierta y a nivel del suelo, el aire se encuentra prcticamente en reposo; la modificacin de los flujos de viento operativos debido a la topografa local y al entorno inmediato; y la evaluacin del confort, es decir la velocidad de viento, desde de brisas agradables hasta vientos indeseados.

Figura 11 Gradientes de velocidad del viento en diferentes alturas y diferentes ambientes. (a) rea urbana, (b) campo con vegetacin y (c) campo abierto.

Para el proyecto, son importantes los valores de velocidad y direccin del viento para cada mes o estacin. Y hay que comprobar si se producen cambios diarios o estacionales previsibles. I.1.1.4. Radiacin Solar

La importancia de la radiacin para el confort trmico es mucho mayor de lo que pensamos. Las sensaciones trmicas, en realidad, provienen de efectos radiantes y afectan el hombre, visto que, case la mitad de los intercambios de energa del cuerpo humano con el ambiente se realizan por radiacin. Puede ser utilizado en cierta forma para equilibrar temperaturas extremas del aire. A bajas temperatura, por ejemplo, una cada de 1 C en la14


temperatura del aire puede ser compensada elevando la temperatura de radiacin en 0,8 C.4 Parte de la radiacin incidente se refleja en las superficies de las nubes, y parte es absorbida por los componentes atmosfricos. Una cierta cantidad es dispersada por molculas en la atmsfera, pero parte de la misma se recupera como radiacin difusa. Parte de la radiacin que incide sobre el solo es reflejada por la superficie terrestre, pero la mayor parte de dicha energa es absorbida, se transforma en calor y eleva la temperatura del aire, del suelo y de los objetos que se encuentran a su alrededor.5 Es decir, aunque el sol no incida de forma directa en los edificios, pueden penetrar importantes cantidades de energas radiantes, y hay que estar atento a sus efectos para evitar problemas de sobrecalentamiento en interiores, principalmente en climas clidos.

Figura 12 Intercambio calorfico al medioda de un da de verano.

Para evitar los efectos de la radiacin, cuando no deseables, debe evitarse al mximo la incidencia de la radiacin solar directa en los edificios, a travs de barreras vegetales, la orientacin del edificio y sus aberturas, y

4 5

Moon por Olgyay (1963). Olgyay (1963). 15


protegiendo con aleros, persianas o voladizos la cara en que la incidencia de sol es ms fuerte; debe evitarse la entrada de radiacin reflejada proveniente de cualquier direccin, previendo sistemas de oscurecimiento en las aberturas con entrada de luz controlable y permitiendo el paso del aire; debe reducirse al mximo la penetracin al interior de radiaciones reemitidas de cualquier tipo, a travs de la creacin de cmara de aire y acabados exteriores claros. Adems, surge ms efecto se la radiacin es detenida lo antes posible. Cuanto ms exterior es la barrera a la radiacin mejor son los resultados de comodidad trmica sentidas por el hombre en los interiores. Para el proyecto, es importante el arquitecto conocer los valores de la cantidad medias diarias de radiacin solar de cada mes del ao. I.1.1.5. Precipitacin

Precipitacin es el termo colectivo que se utiliza para lluvia, nieve, granizo, roco y escarcha, esto es para todo tipo de agua que se precipita de la atmsfera. La precipitacin se produce por la condensacin del vapor de agua contenido en las masas de aire, cuando dichas masas de aire son forzadas a elevarse y a enfriarse. Cuando el agua condensada alcanza una masa crtica, se hace ms pesado que el aire que la circunda y precipita. Para el proyecto, son importantes los valores de intensidad, la cuantidad en milmetros por unidad de tiempo (hora, mes, ao), y direccionalidad. Adems saber si las lluvias estn relacionadas con los fuertes vientos, es decir, si son lluvias torrenciales, comn en zonas tropicales, aunque sean por un corto perodo de tiempo.

I.2.3

La Grfica Bioclimtica

Los efectos de los elementos climticos pueden ser agrupados en una nica grfica dibujada por Olgyay, facilitando comprender el entendimiento de cada uno de ellos. Dicha grfica muestra la zona de confort en el centro, con la zona de confort para invierno que se grafa un poco ms abajo. Los elementos climticos de alrededor estn representados por curvas, lo cual indica la

16


naturaleza de las medidas correctivas necesarias para recuperar la sensacin de confort en cualquier punto situado fuera de la zona. Aunque la franja de confort no tiene limites reales, vale recordar que, la grfica propuesta por Olgyay fue diseada para la latitud de 40 norte y, como las zonas tropicales del planeta se encuentran en latitudes inferiores, normalmente entre 0 y 23 norte y sur, es necesario elevarse la lnea del permetro de confort de verano aproximadamente 2/5 C para cada 5 de latitud, pero sin sobrepasar los 29,4 C.

Figura 13 Grfico de Olgyay para la latitud 40 norte.

En situaciones cuya temperatura seca y humedad relativa conocidas se encuentran dentro de los lmites de la zona de confort no es necesario aplicar ninguna medida correctora para el pensar proyectual. Para otras situaciones, sern necesarios introduccin de viento, humidificacin, radiacin solar o proteccin de la misma con la finalidad de corregir el entorno para satisfacer la comodidad trmica. En climas clidos y hmedos la temperatura elevada combinada con humedad relativa tambin elevada, los puntos de cruce siempre se encuentran arriba de dicha zona, ms a derecha de la grfica, necesitando como medidas correctoras introduccin de vientos y proteccin de la radiacin solar. No obstante, en situaciones extremas, cuando las medidas de diseo ambiental no son suficientes para resolver los problemas de comodidad, deber ser17


remediado con soluciones mecnicas, como por ejemplo, aire acondicionado, deshumidificador, etc.

Figura 14 Grfica de Olgyay aplicada para la ciudad de Miami, Florida. Las curvas de temperatura diaria tienen una clara tendencia horizontal. La distribucin de la temperatura anual est comprendida entre dos lmites muy cercanos, as como la humedad. La evaluacin bioclimtica es el punto de partida para cualquier proyecto arquitectnico que6

aspire

a

proporcionar un entorno climtico equilibrado.

Conociendo profundamente los elementos climticos y las necesidades bioclimticas de un local especfico es posible determinar un balance de las fuerzas naturales en el edificio, haciendo uso de los aspectos positivos y alejando los aspectos negativos de la edificacin. Radiacin solar en perodos fros, sombra en pocas calurosas, ventilacin en locales hmedos deben ser considerados para cada necesidad especfica con el objetivo que se

6

Olgyay (1963). 18


produzcan, en el interior de la habitacin, sensaciones fsicas dentro de la franja de confort.

I.2.4

Efectos Microclimticos

En general concebimos el clima como una condicin uniforme distribuida sobre una gran rea. Sin embargo, en esta gran rea existe una infinidad de factores que influencian en los paramentos meteorolgicos haciendo que dentro de dicho clima ocurra mucho climas particulares, lo que llamamos de microclimas. Normalmente los datos climticos son obtenidos para una macroregin, macroclima. Es necesario analizar los efectos microclimticos que pueden influenciar el clima de emplazamiento de la vivienda ayudando a escoger lo mejor local de acuerdo con las condiciones climticas generadas a partir de factores como altitud, masas de agua, orientacin del relieve, vegetacin, entorno construido, etc. I.1.1.6. Altitud

En la atmsfera, la temperatura disminuye con la altura, en una proporcin de ms o menos 0,5 C al ascender 100 m en verano y 122 m en invierno. Este efecto es especialmente importante en zonas tropicales donde las temperaturas se vuelven ms benvolas a medida que aumenta la altitud. De la misma forma, pequeas diferencias de en el terreno pueden alterar las condiciones climticas. El aire fro es ms pesado que el caliente, as que por las noches la disminucin de la radiacin hace con que se produzca una capa de aire fro cerca de la superficie del suelo. El aire fro, ms pesado, circula hacia los puntos ms bajos, produciendo islas fras, ya que la existencia de elevaciones impide la distribucin de las temperaturas nocturnas por todo el relieve.

19


Figura 15 Comportamiento del aire durante la noche y durante el da en montes y vales.

I.1.1.7.

Orientacin del Relieve

La falda de una montaa recibe el impacto de la radiacin solar en funcin de la inclinacin y de la direccin de sus laderas. Dicha radiacin vara, por presupuesto, dependiendo de la estacin del ao y del nivel de nubosidad. En la zona intertropical, las consecuencias de la orientacin del relieve con respecto a la incidencia de los rayos solares no resultan tan marcadas, ya que una parte del ao el sol se encuentra incidiendo de norte a sur y el resto del ao en sentido inverso. Sin, embargo, en esta zona, donde la radiacin solar es elevada a lo largo de todo el ao es importante tener en cuenta el emplazamiento del edificio, priorizando las caras de la montaa ms protegidas del sol. Una colina tambin afecta tanto la distribucin de los vientos como la de las precipitaciones. Una montaa desva el flujo de viento tanto horizontal como verticalmente, originando mayor aceleracin en la cresta de la ladera enfrentada al viento, y menos turbulencias en la zona baja de la misma, es decir, zonas de alta velocidad en la parte ms alta y flujos ms lentos cerca de la base de la montaa, en la zona de sombra de vientos.

20


Figura 16 Comportamiento del viento en torno de una colina.

La precipitacin va en la misma direccin del viento hacia la falda de la montaa, cayendo de forma ms vertical hacia la base, donde prevalecen movimientos de aire ms dbiles. Sin embargo, en montaas muy altas producen distribuciones de precipitaciones exactamente opuestas. Cuando el aire, en la cara ventosa, es forzado a ascender, se producen condensaciones y precipitaciones adiabticas.

Figura 17 Direccionalidad de la lluvia y de los vientos en montaas.

I.1.1.8.

Masas de agua

La proximidad del mar modera las temperaturas extremas y suele proporcionar ms humedad en los casos en que los vientos procedan del mar hacia el continente. El agua del mar por tener un calor especfico mayor que el de la tierra, se encuentra normalmente ms templado que sta en invierno y ms fro en verano, y generalmente, su temperatura respecto a la tierra es ms fra durante el da y ms caliente durante la noche. Esto hace con que durante el da, las brisas soplen del mar para la tierra y, durante la noche, las brisas hacen el

21


movimiento opuesto. Las brisas marinas atenan el calor durante el da y las terrestres limitan la irradiacin nocturna.

Figura 18 Movimiento del aire junto al mar. (a) Desde el agua hacia le tierra durante el da y (b) desde la tierra hacia el mar durante la noche.

En la zona intertropical, este mecanismo de las brisas atempera el calor en las zonas costeras ya que son ms fuertes y refrescantes, precisamente, cuanto ms calor hace (en las primeras horas de la tarde). I.1.1.9. Entorno construido

El clima urbano refiere a las condiciones del clima en reas urbanas diferentes del entorno rural, y es atribuido al desarrollo urbano. El rea urbana desarrolla un significativo calentamiento frente a su entorno rural (y posiblemente suburbano), particularmente de noche y en calma. Cuanto ms grande una poblacin se produce un incremento ms o menos proporcional en las temperaturas, llegando a tener temperaturas entre 1 a 6 C ms caliente que las reas suburbanas y rurales en das calurosos de verano, segn la Agencia de Proteccin Ambiental (EPA). El "Efecto de Isla de Calor Urbano" es causado por la tendencia que tienen el concreto, caminos y edificios para calentarse a elevadas temperaturas durante el da, ya que la mayora de los materiales son absorbentes; acumulando calor y liberndolo lentamente durante la noche, dando por resultado mayores temperaturas diurnas y nocturnas, de las existentes en el rea rural cercana.

22


Figura 19 Absorcin del calor en los diferentes materiales. (a) Pavimento, (b) hierba y (c) suelo. Figura 20 Las temperaturas alrededor de los edificios son temperadas o agravadas por la naturaleza de los materiales del entorno.

Por otro lado, en las zonas rurales, las caractersticas naturales del terreno tienden a moderar las temperaturas extremas y a estabilizar las condiciones, debido principalmente a las cualidades reflectoras de las diferentes superficies. La capa de hierbas y plantas que cubre el suelo reduce las temperaturas absorbiendo parte de la insolacin y enfrindose a travs de la evaporacin. I.1.1.10. La Vegetacin funciona como elemento de control trmico,

vegetacin

proporcionando sombra y minimizando los efectos del calor. En la sombra de medioda de los rboles la temperatura puede ser casi 3 C ms baja que en el sol en las mismas condiciones.

Figura 21 Efecto trmico producido por la sombra de un rbol.

23


Adems, la vegetacin en cuantidad reduce con gran eficacia los sonidos ambientales. Las hojas captan el polvo y filtran el aire. Asimismo, la vegetacin asegura la privacidad visual y disminuye los efectos del deslumbramiento.

24

Parte II.

Soluciones

de

diseo

ambiental

adoptadas en respuesta al clima


II.1. La arquitectura verncula del clima Clido-HmedoDesde la antigedad el ser humano reconoci que la adaptacin es un principio esencial en la arquitectura con el objetivo de alcanzar el confort trmico. Esta siempre estuvo limitada por una serie de factores: climticos, socio-culturales, econmicos, de defensa, religiosos, de disponibilidad de materiales, de recursos tcnicos-constructivos, etc. El clima toma papel principal en las diferentes fuerzas que generan la forma de la arquitectura. En locales de baja tecnologa y al ser ms crticas las condiciones climticas, ms limitadas y fijas son las soluciones. La tipologa constructiva se encuentra definida ms por las zonas climticas que por las fronteras territoriales. Aunque existan variaciones, producto de particularidades de cada cultura o de disponibilidad de material, la forma de la vivienda autctona nace de su relacin con el entorno. En climas clidos donde las temperaturas son altas, con reducidas variaciones entre da-noche y entre estaciones, no hay ninguna ventaja la inercia trmica. La radiacin siempre intensa, las nubes y lluvias frecuentes resulta importante tener el mximo de proteccin posible. Hay que se preocupar no solo en detener la radiacin directa como tambin la difusa. Adems la humedad es constantemente alta haciendo muy importante la ventilacin que ms all de reducir la humedad tambin disipa el calor.En las regiones clidas y hmedas [] la arquitectura no precisa de inercia trmica, aunque debe protegerse de la radiacin solar y procurar la mxima ventilacin con objetivo de eliminar en lo posible la humedad.7

7

Serra, 1993. 26


Figura 22 Esquema de la vivienda tropical.

Los edificios tienen grandes aberturas, formas alargadas y estrechas en el eje este-oeste y implantacin independientes y alejadas entre s para permitir el paso del aire si crear barreras. Las paredes desaparecen cuando posible o tienen aberturas totales de los paramentos para permitir la ventilacin. Frecuentemente son usados como elementos constructivos persianas y celosas que proporcionan la proteccin de la radiacin y permiten la libre circulacin del aire. La cubierta es un elemento de grande importancia, ya que debe protegerse tanto de la radiacin como de la lluvia. Esta si, normalmente compuesta de, por lo menos, dos capas y cmara de aire ventilada entre ellas, tiene poco peso para evitar el almacenamiento del calor de la radiacin. Tambin acostumbran tener grandes inclinaciones para evacuar el agua de las lluvias. Los grandes voladizos se convierten muchas veces en porches y galeras abiertas, protegidos del sol y de la lluvia y son ventilados, un local abrigado para descansar o dormir. Por otra parte, los suelos se elevan para obtener una mejor exposicin a las brisas, protegerse de las inundaciones y defenderse de los insectos. Para disminuir el deslumbramiento, debido al cielo producir un gran resplandor en todas las orientaciones, las ventanas se cubren de celosas, persianas y rejas y el techo se pinta de blanco. Esto provoca un oscurecimiento de las aberturas sin crear una barrera para el viento, reduciendo al mnimo imprescindible la cantidad de luz que penetra por la ventana y, por lo tanto, tambin la cantidad de calor.27


Figura 23 Esquema de proteccin en las aberturas para evitar el deslumbramiento a travs de lamas fijas y mviles.

La arquitectura popular tornase un manual de cmo construir en cada clima debido a la necesidad de adaptacin a las limitaciones impuestas por la naturaleza, por las tcnicas y disponibilidad de recursos de cada regin.

28


Figuras 24, 25, 26, 27, 28, 29 y 30 Casas venarculares en diversas regiones de clima tropical: Asia, frica, Amrica Central y del Sur.

29


II.2. Orientacin y forma de la arquitecturaII.2.1I.1.1.11.

La orientacinLos efectos del sol

El hombre primitivo estaba sujeto al ciclo solar y muchos grupos rendan honores al sol, orientando sus edificios ms importantes hacia sus rayos. Posteriormente, dej de actuar respecto al sol como smbolo, atribuyendo a l ms sus efectos teraputicos y psicolgicos. La orientacin del edificio abarca numerosos factores: topografa local, privacidad, vistas, reduccin del ruido, vientos y radiacin solar. Entre ellos la radiacin solar se sobresale determinando la orientacin del edificio para el aprovechamiento mximo de los beneficios trmicos, higinicos y psicolgicos que otrora fue defendido por Vitrubio en su tratado De Arquitectura:[] si se orientan hacia el medioda o hacia el occidente no sern salubres porque durante el verano la seccin meridional del cielo se calienta al amanecer y arde al medioda; de la misma forma, aquellas que miran hacia occidente se calientan al medioda y arden por la tarde.

I.1.1.12.

El impacto de la radiacin solar

La orientacin de un edificio es determinante en la cantidad de radiacin solar que recibe en los distintos lados en diferentes momentos. Durante el invierno, un rea expuesta hacia el sol, norte para el hemisferio sur y sur para el hemisferio norte, recibe mucho ms energa que las expuestas a este y oeste, mientras que en verano, la radiacin que incide en los lados hacia en sol y posterior a l, es menor las que incide en las fachadas este y oeste. Asimismo en latitudes ms baja, prximas al ecuador, los valores son an ms acentuados. Sin embargo, es importante orientarse paralelamente al sol para reducir el impacto de la radiacin. No obstante, en climas clidos la orientacin hacia el sol de la maana es preferible que hacia el sol de la tarde porque cuando el sol incide en las primeras horas de la maana sobre la fachada este, el aire es ms fresco.30


Es consenso entre los estudiosos de la arquitectura bioclimtica de que el ideal es la implantacin del edificio con formato este-oeste, con sus principales huecos orientados en el eje norte-sur y el mnimo posible de huecos orientados para este y oeste. Estas condiciones minimizan la ganancia trmica, debido al ngulo de incidencia solar en las regiones tropicales, adems favorecen la ventilacin natural dentro del edificio.

Figura 31 La orientacin del edificio con formato este-oeste, con sus principales huecos orientados en el eje norte-sur y el mnimo posible de huecos orientados para este y oeste.

Esta orientacin, sin lugar a dudas, proporciona mayor cantidad de radiacin durante el invierno y la menor durante el verano.

II.2.2I.1.1.13.

La formaEn la naturaleza

En la naturaleza la forma es consecuencia de la necesidad de adaptacin de la especie en el entorno que ella esta inserida. En las teoras de la evolucin vale la ley del ms fuerte, ms resistente. Es decir, la forma se modifica para adaptarse a las condicionantes exportas, buscando el equilibrio con el medio.El mismo gen sometido a las distintas circunstancias se deforma proporcionalmente a una magnitud relativa diferente, tanto en exceso como en defecto.8

8

Lodge por Olgyay, 1963. 31


Un ejemplo claro de que la naturaleza se adapta para sobrevivir es observado en la vegetacin. Esta adapta su forma y tamao de acuerdo con las condiciones climticas. En zonas fras la forma es compacta, para resistir al fro, la sequa, los vientos y todas las otras condiciones desfavorables. En zonas templadas, las hojas tienen forma abierta y considerable tamao para permitir captar el mximo de la luz. Ya en zonas clidas-ridas, como el entorno no es favorable, las plantas se adaptan mediante la reduccin de su superficie, de hojas y ramas y presentan desarrolladas una cantidad de celdillas protectoras. Por fin, en zonas clidas-hmedas, donde las condiciones climticas son ms favorables para la vida vegetal, las plantas se desarrollan de forma y tamao totalmente libres.

Figura 32 Las hojas de los rboles en cada tipo de clima: fro, templado, clido-rido y clidohmedo.

En ser humano respectando estos principios tambin tiene su desarrollo impuestos por los condicionantes del entorno en que esta inserido, buscando siempre el equilibrio con el medio ambiente. La construccin de su refugio sigue las limitaciones de la naturaleza. Es decir, la edificacin es de forma compacta cuando el clima no es favorable, cerrndose sensiblemente sus superficies y manteniendo en equilibrio mediante la vida en el interior. Mientras que, cuando el clima es ms favorable, la forma permite una comunicacin fluida con el entorno natural y el edificio intenta equilibrarse con el medio ambiente. En climas clidos y hmedos, en la busca del equilibrio con la naturaleza, la edificacin en el intento de disminuir sus impactos, utilizase de la combinacin de los factores trmicos: temperatura del aire y radiacin solar, para alcanzar una forma y una orientacin ptimas.

32


I.1.1.14.

Orientacin sol-aire

La orientacin de edificio partiendo de la premisa sol-aire, implica reconocer que la temperatura del aire y la radiacin solar actan conjuntamente para producir la sensacin de calor en el cuerpo humano. La importancia del calor del sol variar, entonces, segn las regiones y estaciones. Una orientacin ptima en un emplazamiento dado, ser aquella que proporcione la mxima radiacin durante el perodo fro y la mnima durante el clido.

Figura 33 La forma de la arquitectura cambia de acuerdo con la latitud en que est ubicada. Ms a norte suele a ser compacta priorizando la radiacin solar, mientras que ms cerca del Ecuador suele ser ms estrecha y alargada en el eje este-oeste priorizando los vientos dominantes.

En las latitudes ms septentrionales generalmente el aire es fro y existe una gran necesidad de calor procedente del sol. Como consecuencia, las edificaciones deben orientarse para recibir una mxima cantidad de radiacin durante todo el ao. La forma del edificio es compacta, con orientacin preferente perpendicular al eje norte-sur. No obstante, el mismo edificio, situado ms al sur, donde el aire es ms caliente, deber girar su eje para evitar la radiacin solar directa, ms desfavorable, y acoger en su lugar, las brisas refrescantes.Los edificios suelen ser estrechos y alargados,

transversales al viento dominante y separados entre si para no obstruir el paso del aire entre ellos.9

9

Serra, 1993. 33


I.1.1.15.

Distribucin interna

Vale recordar que para asegurar unas condiciones apropiadas de bien estar en el interior de la edificacin hay que tener en cuenta la distribucin de las estancias y el tiempo de utilizacin de las mismas.

Figura 34 Orientaciones sugeridas para las distintas estancias en el hemisferio norte.

Recomendase planear las estancias de mayor utilizacin, como comedor, estar, habitacin, en las fachadas ms favorables y las estancias secundarias, de menor utilizacin, como baos, garajes, trasteros, etc, en las fachadas menos favorables. I.1.1.16. Factor viento

En regiones clidas-hmedas el movimiento del aire constituye el elemento principal para alcanzar el confort. Como consecuencia, los emplazamientos adecuados son aquellos que, aunque se encuentre fuera de la direccin del viento predominante, ests situada en reas expuestas a las corrientes de aire, cerca de las cimas de las colinas o en zonas elevadas de la cara ventosa de la montaa, cerca de alguna arista, en pendientes en direccin a norte o sur que son ms apropiadas que a este y oeste, donde los rayos inciden ms oblicuamente y por esto reciben mayor radiacin solar. Cuando la direccin de los vientos no es coincidente con la mejor

orientacin solar, debedse priorizar la ventilacin, debido a mayor facilidad de se utilizar elementos para sombrear que para direccionar los vientos. Con todo,

34


el posicionamiento del edificio no precisa ser, necesariamente, perpendicular a la direccin de los vientos. Machado, Ribas y Oliveira afirman que rotaciones de 20 a 30 en relacin a los vientos predominantes de verano tambin son bien recomendadas, utilizndose recursos que faciliten la ventilacin cruzada.10

10

Machado, Ribas y Oliveira, 1986. 35


II.3. VentilacinLa accin del viento sobre los edificios tiene repercusiones directa e indirecta acerca de las condiciones del ambiente interior. El viento influye en el microclima que envuelve las construcciones, acta en sus cerramientos incrementando las prdidas de calor hacia el exterior de las superficies sobre las que incide y penetrando por las aberturas generando movimiento y renovacin del aire interior. Los movimientos favorables del aire deben ser utilizados para refrescar durante las pocas calurosas y como alivio en aquellos perodos en que los valores de humedad absoluta son muy altos.

II.3.1

Ventilacin cruzada

La ventilacin natural en la edificacin ocurre por la diferencia de presin y por la diferencia de temperatura. Cuando el viento incide sobre el edificio disminuye su velocidad y lo acumula en su lado ms expuesto, originando un rea de presin relativamente alta. Es decir, el viento al incidir en una de las caras del edificio genera una acentuada sobrepresin en dicha cara, una presin de menor cuanta en la cara opuesta y una ligera depresin en las caras laterales, en la zona ms prxima a la cara sobrepresionada.

Figura 35 Esquema de las reas de presin proporcionada por la incidencia del viento en las diferentes caras del edificio.

36


Las diferencias de presin entre el lado expuesto al viento y el contrario contribuyen al movimiento del aire en el interior del edificio. La ventilacin cruzada ocurre cuando se crea un espacio mediante

aberturas situadas en fachadas opuestas. Las aberturas han de situarse en fachadas que comuniquen con espacios exteriores de diferentes condiciones de radiacin y/o de exposicin al viento. Lo ms til, en cualquier caso, orientadas en el sentido de un viento dominante de caractersticas favorables. Resulta evidente que grandes aberturas situadas en caras apuestas y con zonas de alta y baja presin generan el mximo intercambio de aire en el interior del edificio. Sin embargo en zonas calurosas, la velocidad del aire es ms importante que la cantidad de aire intercambiado, ya que minimiza los efectos de la humedad en una proporcin de 0,3 m/s de velocidad del aire equivalente al descenso de 1 C en la sensacin trmica de una persona. Pequeas aberturas de entrada garantizan velocidades mximas en el interior de la construccin. Entonces, el flujo interior del aire depende de las aberturas: del tamao de las mismas en la cara que enfrenta el viento y en la cara opuesta, de la localizacin y del diseo de los diferentes elementos en las aberturas, capaces de conducir el viento en el interior de la edificacin.

Figura 36 flujo de aire en el interior de la edificacin. (a) Grande abertura de entrada y pequea abertura de salida no interfiere en la velocidad del aire, mientras que (b) pequea abertura de entrada garantizan velocidades mximas en el interior de la construccin. (c) y (d) El movimiento del aire en el interior de la edificacin hace siempre por el camino que sea ms fcil, o sea aquello en que exista una diferencia de presin ms alta y una resistencia a su paso ms baja.

Como regla general, el flujo de aire seguir siempre el camino que sea ms fcil, o sea aquello en que exista una diferencia de presin ms alta y una resistencia a su paso ms baja. Un flujo directo asegura la rapidez del movimiento del aire, y cualquier cambio en su direccin reducir dicho efecto.37


La relacin entre el tamao de las aberturas, de entrada y salida del aire, asegura una velocidad adecuada del viento, y, por lo tanto mayor flujo de aire. Sin embargo, el posicionamiento de las aberturas de salida es irrelevante y la velocidad solamente disminuir si los cambios de direccin del aire originan alguno consumo de energa. Por otra parte, en los locales que la posicin de salida del aire se mantiene constante y la posicin de la entrada varia, situndose en la parte inferior, media o superior, el flujo de aire es desviado un poco ms abajo del techo o hacia el suelo. La situacin de entrada determina el modelo de flujo que puede variar no solo por el posicionamiento de las aberturas como tambin por el diseo de las mismas. Dichas aberturas pueden direccionar el viento a travs de lamas o voladizos, conducindolo hacia donde sea ms eficaz en el interior del edificio, la zona de actividad.

Figura 37 - La situacin de entrada determina el modelo de flujo que puede variar no solo por el posicionamiento de las aberturas como tambin por el diseo de las mismas.

38


De manera general, siempre ser conveniente situar las salidas en posicin ms alta las entradas en posicin ms baja, debido que el aire caliente es ms leve que el aire fro y sube hacia la parte ms alta del local, tiende a salir por las aberturas y es sustituido por el aire ms fresco que penetra por las aberturas inferiores.

Figura 38 Esquema de ventilacin con entradas de aire posicionadas en la parte ms baja y salidas de aire posicionadas en la parte ms alta del edificio para facilitar la renovacin del aire por diferencia de temperatura.

No obstante, la lentitud del aire en un ascenso normal, no es adecuada para aliviar el efecto de las altas temperaturas o mejorar a sensacin trmica. Para esto, es necesario introducir la fuerza del viento.

II.3.2

Barreras de viento

Aunque no sea posible alterar e movimiento de las grandes masas de aire si est producido por diferencias en la presin del aire, es posible controlar, hasta cierto punto, la velocidad del aire cuando se mueve al nivel del suelo. Edificios vecinos, paredes, vegetacin, etc, pueden influenciar el movimiento del aire o su distancia de sombra de viento ms de lo que imaginamos. La diferencia de proteccin ofrecida por vegetacin, elementos slidos o edificio depende no solo de su altura como tambin del grado de permeabilidad. La masa verde cuando permite un cierto grado del paso de aire causa menos turbulencia que un elemento slido e, como resultado, un rea de proteccin total del viento buena.

39


Figura 39 La sombra de viento causada por el arbolado.

Un elemento protector del viento desva las correnties de aire hacia arriba, mientras vuelve para barrer de nuevo el suelo, crea una superficie cerca del mismo que permanece en cama relativa. La parte ms protegida de esta rea se encuentra situada a sotavento y bastante prxima al cortaviento, es decir, el rea de mayor calmara es la luego despus del elemento protector y la inmediatamente antes del mismo, especialmente si la barrera de viento es muy densa. A medida que nos alejamos del mismo aumenta la exposicin hasta el punto en el cual las corrientes de aire alcanzan su velocidad mxima.

Figura 40 - La proteccin proporcionada por el viento depende del ancho y de la altura de la barrera.

40


El tipo de elemento empleado ejerce un efecto determinante en el modelo de movimiento del aire resultante y en el rea protegida. Las barreras slidas contra el viento originan remolinos en la parte superior la cual reduce su eficacia.

Figura 41 - El movimiento del aire en reas densas de vegetacin y en reas de escasa vegetacin.

En clima clido-hmedo donde la ventilacin es esencial para ayudar en la disminucin de la humedad y mejorar la sensacin de comodidad del usuario del edificio, se hace importante tener en cuenta los efectos causados por las barreras de viento. Es ms aconsejable la implantacin del edificio aislado, de forma no lineal. Los edificios que se ordenan de forma lineal y perpendicular a la direccin de los vientos reciben en su fachada de mayor exposicin el impacto total de la velocidad, mientras que las fachadas consiguientes la velocidad de viendo disminu considerablemente. Los que se ordenan a 45 la velocidad del viento se reduce unos 50% y la sombra de viento presentase mucho ms ancha. Asimismo, para asegurar un nivel de ventilacin satisfactorio es necesario que las construcciones estn espaciadas entre si una distancia de siete veces su altura.

41


Figura 42 Implantacin del edificio de forma aislada para permitir la ventilacin cruzada.

Figura 43 La proteccin del viento con una ordenacin lineal de edificios y de forma a aprovechar al mximo las brisas.

Tambin es determinante el entorno inmediato que rodea las construcciones de baja altura. El paisanismo que incluye materiales vegetales como rboles y arbustos, o muros y vallas, pueden crear zonas de baja presin alrededor de la vivienda. Debe tenerse especial cuidado en la distribucin de estos elementos, de forma a no crear barreras a las brisas refrescantes en perodos calurosos, siendo dibujados para dirigir y acelerar los movimientos favorables del aire hacia el edificio. Sin embargo, se debe tener precauciones para que el viento no alcance superficies calentadas, aumentando la temperatura interna.

42


Figura 44 Modificacin del movimiento del aire por medio de paisajismo.

II.3.3I.1.1.17.

La arquitecturaCubierta ventilada

La cubierta es prcticamente el nico elemento que tiene verdadera importancia. Aunque no pueda mejorar las condiciones internas, en el sentido de enfriar la temperatura interna, si est bien diseado, puede evitar que la temperatura interior no se haga superior a la del aire exterior.La cubierta es un elemento de gran importancia. Se caracteriza por cumplir la funcin de sombrilla y de paraguas y, en algunos casos, llega a descomponerse en multitud de cubiertas sobrepuestas, que se protegen mutuamente de la radiacin, a la vez que disipan por ventilacin la energa absorbida.11

11

Serra (1993). 43


La doble cubierta ventilada permite formase entre sus camadas un colchn de aire que funciona como aislante para el calor y, adems se tuviera aadido en su parte superior aberturas para salida de aire caliente tiene, an, el efecto chimenea auxiliando en este sistema.

Figura 45 Esquema de la cubierta ventilada, utilizndose de un colchn de aire como aislante y ventilacin de la cubierta por efecto chimenea.

El efecto chimenea funciona por la extraccin del aire

caliente de

espacio al situar aberturas en la parte superior para este fin y situar aberturas inferiores en el espacio para la entrada de aire fresco. La diferencia de densidad del aire, en funcin de su temperatura hace con que el aire caliente tienda a salir por estas aberturas y ser renovado por el aire fresco que entra por las aberturas inferiores. El facto de la cubierta ventilada desarrollar un papel tan importante en la arquitectura tropical nos lleva a estudiar mejor el comportamiento trmico de este elemento de la edificacin, teniendo en cuenta los materiales tradicionales y los utilizados recientemente. La anlisis trmica de la cubierta ventilada presentase el la Parte III de este trabajo. I.1.1.18. Cerramientos permeables

Para garantizar la ventilacin, las paredes desaparecen cuando posible o tienen aberturas totales de los paramentos. Los espacios interiores deben ser44


fluidos y flexibles para favorecer la circulacin del aire entre estos y los otros espacios internos, y el exterior. Son muy comunes los espacios exteriores, desprovedos de

cerramientos o con cerramientos ligeros que permiten el paso del aire. Los grandes voladizos se convierten muchas veces en porches y galeras abiertas, protegidos del sol y de la lluvia y son ventilados, un local abrigado para descansar o dormir. La separacin entre los espacios internos y espacios externos deben ser con paineles mviles, paredes bajas o dispositivos tales como elementos perforados, celosas, venecianas y otros, que proporcionan la proteccin de la radiacin y permiten la libre circulacin del aire.

Figura 46 Separacin entre espacio interno y externo con diferentes soluciones de cerramientos mviles dispuestos de acuerdo con la necesidad del momento.

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I.1.1.19.

Elevacin del suelo

Otra alternativa, es elevar la edificacin del suelo para que el aire pueda cruzar por de bajo de la vivienda, haciendo con que el edificio sea desprovedo de inercia trmica.En muchas ocasiones, el suelo se levanta sobre pilares para ofrecer mejor exposicin a las brisas []. Este suelo a menudo es permeable al paso del aire, y su ligereza, unida a la de los otros elementos constructivos, da como resultado una construccin desproveda de inercia trmica.12

Figura 47 La elevacin del edificio en el terreno permite el cruce del aire por debajo del edificio y, al mismo tiempo, proteccin de las humedades e inundaciones.

Adems, con el suelo elevado es posible defenderse de las humedades, inundaciones y de los insectos. I.1.1.20. Otros sistemas de ventilacin

El sistema ideal de ventilacin para el clima tropical, como dicho anteriormente, es el sistema de ventilacin cruzada, pero este puede esta aadido a otros sistemas de ventilacin que tienen como funcin primordial facilitar la circulacin del aire, y en algunas veces tratar el aire, para mejorar sus condiciones de temperatura y humedad. El efecto chimenea adems de utilizado en la cubierta doble ventilada puede ser utilizado como sistema independiente. Es un sistema que genera

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Serra (1993). 46


una extraccin del aire al situar aberturas en la parte superior de un espacio y aberturas inferiores para entrada de aire. La diferencia de densidad del aire, en funcin de su temperatura hace con que el aire caliente tienda a salir por estas aberturas. Chimenea solar es un dispositivo que utiliza la energa de la radiacin solar para extraccin del aire. Su misin consiste en calentar el aire dentro de una cmara, mediante un captador de superficie oscura protegido con una cubierta de vidrio. Funciona como el sistema de efecto chimenea. En climas clidos para la utilizacin de este sistema es necesario crear inercia trmica entre la cmara de aire caliente y el interior de la edificacin para que el calor no sea radiado hacia en interior de la arquitectura. Aspiracin esttica es un sistema que produce una depresin en el interior del edificio, mediante la aspiracin por efecto Ventura, generada por el viento sobre un dispositivo adecuado, situada en la cubierta del edificio. La extraccin se debe completar con una entrada de aire por la parte interior. Y, por fin, la torre de viento que es sistema de introduccin de aire en un edificio, a travs de una torre que recoge el viento a cierta altura sobre la cubierta. Sistema vlido para zonas de climas clidos con vientos frecuentes e intensos.

Figura 48 Sistemas pasivos de ventilacin: efecto chimenea, chimenea solar, aspiracin esttica y torre de viento, respectivamente.

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II.4. Control solarII.4.1 La transmisin de calor

En general se acepta que la piel del edificio acta como filtro entre las condiciones externas e internas para controlar la entrada del aire, el calor, el fro, la luz, los ruidos y los olores. El uso excesivo de vidrio en la arquitectura en lugar del muro, produce considerables cambios, principalmente trmicos, en la relacin entre el interior y exterior del edificio, ya que una de las propiedades de los materiales transparentes como el vidrio es trasmitir la energa radiante directamente. Esto influye sobre el bienestar de los ocupantes del espacio. La energa radiante que atraviesa las superficies transparentes se divide en tres componentes: una parte es reflejada, no teniendo efecto trmico sobre el material; otra parte es absorbida por el material que consecuentemente es disipada por conveccin y por radiacin de ondas largas y; la ltima parte es directamente transmitida a travs del material.

Figura 49 la energa radiante en las superficies transparentes.

Aunque el sol no incida de forma directa, en los edificios poden penetrar importantes cantidades de energa radiante. El sol reflejado en el exterior, en otras superficies, es un importante aporte de energa cuando penetra por aberturas, mismo sin incidencia de la radiacin solar directa. En zonas calurosas es de suma importancia tener todas las entradas de luz, con o sin cerramiento en vidrio, protegidas de la incidencia solar directa e indirecta, ya que luz es tambin calor. Tanto en verano cuanto en invierno, la

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radiacin solar es siempre alta, y viene de todas las direcciones, reflejada por el suelo y otras superficies.

Figura 50 La radiacin solar proveniente de todas las direcciones. (a) Luz cenital, (b) luz reflejada del exterior y (c) luz reflejada del interior.

Debe evitarse al mximo la incidencia de la radiacin solar directa en los edificios, a travs de barreras vegetales, la orientacin del edificio y sus aberturas, y protegiendo con aleros, persianas o voladizos la cara en que la incidencia de sol es ms fuerte; debe evitarse la entrada de radiacin reflejada proveniente de cualquier direccin, previendo sistemas de oscurecimiento en las aberturas con entrada de luz controlable y permitiendo el paso del aire; debe reducirse al mximo la penetracin al interior de radiaciones reemitidas de cualquier tipo, a travs de la creacin de cmara de aire y acabados exteriores claros. La solucin ms acertada para control de la radiacin es la utilizacin de elementos fsicos para proporcionar sombra, ya que este mtodo intercepta la radiacin solar antes de penetrar en la arquitectura. De esta forma, la radiacin se refleja y se disipa hacia el aire exterior proporcionando mejores resultados en la comodidad trmica sentidas por el hombre en los interiores.

Figura 51 Utilizacin de elementos fsicos para proporcionar sombra y no permitir la penetracin de la radiacin solar directa.

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Los sistemas de proteccin a la radiacin estn constituidos por aquellos elementos que tienen como misin proteger de radiaciones no deseadas y proporcionar sombra a los edificios. Pueden ser utilizados aislados o en conjunto, pero la utilizacin de una suma de ellos es ms eficaz para reduccin de la radiacin solar, principalmente en las zonas de clima clido-hmedo donde las temperaturas diarias normalmente estn por arriba de la zona de confort, y la proteccin de las aberturas se hace esencial para no transmitir ms calor hacia el interior del edificio. Tanto la localizacin, como la latitud y la orientacin contribuyen a la definicin de un mecanismo efectivo. El recorrido que el sol hace en una determinada latitud y la orientacin de la abertura influyen en el dibujo de la proteccin solar.

II.4.2I.1.1.21.

La arquitecturaAleros o voladizos

Son elementos construidos fijos, muchas veces son extensiones de las cubiertas que se prologan, o son elementos a parte de los tejados y estn situados en las partes altas de las fachadas, se proyectando en horizontal. Protegen las fachadas y especialmente las aberturas, de la radiacin y de la lluvia. Normalmente son opacos y sus dimensiones dependern del ngulo de incidencia del sol a que se quiera proteger. Los aleros presentan mayor resultado en las fachadas norte y sur. En estas fachadas el recorrido del sol presentase ms vertical y paralelo, que hace con que las sombras proyectadas en las superficies a proteger sean ms efectivas, mientras que en las fachadas este y oeste las bajas trayectorias solares los hace poco tiles. Sin embargo, cuando la radiacin es muy elevada, caso del clima tropical, tener aleros en todas las orientaciones es importante porque no solo protegen el edificio del sol, como tambin de la lluvia que generalmente incide formando un ngulo de 45. La utilizacin de otros sistemas de proteccin solar, sumado a los aleros, ser ms eficiente.

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Muchas veces, los grandes voladizos se convierten en porches y galeras abiertas, protegidos del sol y de la lluvia, creando un espacio ventilado en la arquitectura con condiciones trmicas ms equilibradas que el espacio interior, encerrado entre muros.

Figura 52 Los porches y las galeras abiertas protegidos del sol y de la lluvia se convierten locales abrigados y ventilados en la edificacin tropical.

I.1.1.22.

Lamas, pantallas y celosas

Las lamas son elementos exteriores que detienen parte de la radiacin, permitiendo el paso de aire y la luz difusa. Pueden ser de los tipos verticales y horizontales, fijos o mviles, posibilitando una regulacin voluntaria de las condiciones de proteccin. Adems pueden ser de una combinacin de ellas. Cada uno de estos

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Confort Termico y Tipologia Arquitectonica en Clima Calido Humedo